JP7103923B2 - 接合構造体及び接合構造体の製造方法 - Google Patents
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[1] 高張力鋼からなる第1部材と、
前記第1部材に重ねられ、高張力鋼からなる第2部材と、
前記第1部材における前記第2部材との重ね面、又は前記第2部材における前記第1部材との重ね面の少なくとも一方に形成された表面軟質層と、
前記第1部材と前記第2部材とが溶融および凝固して形成された溶融凝固部と、
前記溶融凝固部の周囲に形成された熱影響部と、
を有し、
前記表面軟質層の合計厚さが5μm以上200μm以下、かつ、前記溶融凝固部の炭素量が0.35質量%以上であるとともに、
前記熱影響部内における前記表面軟質層の最大ビッカース硬さが100Hv以上500Hv以下であることを特徴とする接合構造体。
[2] 前記表面軟質層が脱炭層であることを特徴とする上記[1]に記載の接合構造体。
[3] 前記表面軟質層の合計厚さが45μm以上であることを特徴とする上記[1]又は[2]に記載の接合構造体。
[4] 上記[1]~[3]のいずれか1つに記載の接合構造体を製造する方法であって、
前記第1部材および前記第2部材の少なくとも一方の表面に形成された前記表面軟質層が前記第1部材と前記第2部材の間に介在するように、前記第1部材と前記第2部材を重ね合わせた後、溶接により前記溶融凝固部を形成することを特徴とする接合構造体の製造方法。
<接合構造体の基本構成>
図1は、本発明の一実施形態に係る接合構造体の断面図である。本構成の接合構造体100は、高張力鋼からなる第1部材12と、第1部材12に重ねられ、高張力鋼からなる第2部材14と、第1部材12における第2部材14との重ね面、又は第2部材14における第1部材12との重ね面の少なくとも一方に形成された表面軟質層20と、溶融凝固部30と、溶融凝固部30の周囲に形成された熱影響部40と、を有する。第1部材12と第2部材14の高張力鋼は、いずれも引張強度が440MPa以上の高張力鋼板(High Tensile Strength Steel;HTSS)で構成される。
なお、溶融凝固部30の周辺には、固相溶接されたリング状の部分であるコロナボンド50が形成されている。
炭素量(M1,M2)={炭素量(M1)+炭素量(M2)}/2・・・(1)
次に、上記構成の接合構造体100における各構成要素につき詳細に説明する。
第1部材12、第2部材14は、前述したように引張強度が440MPa以上の高張力鋼板(HTSS)である。なお、上記高張力鋼板としては、440MPa級以上のものであれば特に限定されず、例えば、590MPa級以上、780MPa級以上、980MPa級以上の高張力鋼板であってもよい。
第1部材12、第2部材14の表面片側又は両面には、亜鉛又は亜鉛合金等の金属めっき皮膜、塗料等の有機樹脂皮膜、潤滑剤、及び/又は潤滑油等、通常、鋼材に施される公知の皮膜が形成されていてもよい。また、これらの皮膜は、単独に用いた単層、又は複合させて組み合わせた複層で被覆されていてもよい。
Cは鋼の母材強度向上に寄与する元素であるため、高張力鋼板には必須な元素である。そのため、C含有量(炭素量)の下限は0.05%以上とすることが好ましい。一方、過剰に添加すると、溶融凝固部30および熱影響部40の硬度が高くなり、良好な継手強度が得られない。そのため、C含有量の上限は、好ましくは0.60%以下、より好ましくは0.40%以下、更に好ましくは0.20%とする。
なお、第1部材12と第2部材14とを溶融させて接合する場合において、その溶融凝固部30における炭素量(M1,M2)を0.35質量%以上とするためには、第1部材12の炭素量(M1)と第2部材14の炭素量(M2)との平均値が0.35質量%以上となる必要がある。
Siは脱酸に寄与する元素である。そのため、Si含有量の下限は0.01%以上とすることが好ましい。一方、過剰に添加すると、焼戻し軟化抵抗が高くなり、溶融凝固部30および熱影響部40の硬度が過剰に高くなり、良好な継手強度が得られない。そのため、Si含有量の上限は、好ましくは3.00%以下、より好ましくは2.00%以下、更に好ましくは1.00%以下とする。
Mnは焼入れ性向上に寄与する元素であり、マルテンサイトなど硬質組織を生成するために必須な元素である。そのため、Mn含有量の下限は0.5%以上とすることが好ましい。一方、過剰に添加すると、溶融凝固部30および熱影響部40の硬度が過剰に高くなり、良好な継手強度が得られない。そのため、Mn含有量の上限は、好ましくは3.0%以下、より好ましくは2.5%以下、更に好ましくは2.0%以下とする。
Pは不可避的に鋼中へ混入する元素であるが、粒内および粒界へ偏析しやすく、溶融凝固部30および熱影響部40の靭性を低下させるため、極力低減することが望ましい。そのため、P含有量の上限は、好ましくは0.05%以下、より好ましくは0.04%以下、更に好ましくは0.02%以下とする。
SはP同様、不可避的に鋼中へ混入する元素であるが、粒内および粒界へ偏析しやすく、溶融凝固部30および熱影響部40の靭性を低下させるため、極力低減することが望ましい。そのため、S含有量の上限は、好ましくは0.05%以下、より好ましくは0.04%以下、更に好ましくは0.02%以下とする。
本件発明にかかる第1部材12及び第2部材14は、上記C、Si、Mn、P及びS以外は、
Al:1.0%以下(0%を含む)、
N:0.01%以下(0%を含む)、
Ti、V、Nb、Zrの合計で0.1%以下(0%を含む)、
Cu、Ni、CrおよびMoの合計で1.0%以下(0%を含む)、
B:0.01%以下(0%を含む)
Mg、Ca、REMの合計で0.01%以下(0%を含む)であることが好ましい。
その他、残部はFe及び不可避的不純物であることが好ましい。不可避不純物は、鋼の製造時に不可避的に混入する不純物であり、上記第1部材12及び第2部材14の諸特性を害さない範囲で含有されうる。
表面軟質層20は、図1に示すように、第1部材12における第2部材14との重ね面、又は第2部材14における第1部材12との重ね面の少なくとも一方に形成される。図1においては、第1部材12および第2部材14の両面に表面軟質層20が形成されているが、第1部材12の表面のみ、又は第2部材14の表面のみに表面軟質層20をするのでもよい。また、表面軟質層20は、第1部材12や第2部材14よりもビッカース硬さが低い軟質の組織であり、変形能に優れる。すなわち、引張せん断において曲げ変形が加えられた際、本実施形態のように第1部材12や第2部材14の表面に表面軟質層20を形成させることにより、初期変形能を高め、熱影響部40での亀裂発生を抑制し、優先的に母材部を変形させることができる。よって、表面軟質層20の形成により、引張せん断強度(TSS)が向上する。
炭素量(M1,M2,N)=(炭素量(M1)+炭素量(M2)+炭素量(N))/3・・・(2)
なお、上記「合計厚さ」とは、表面軟質層20が、第1部材12における第2部材14との重ね面、又は第2部材14における第1部材12との重ね面のいずれかのみに形成される場合は、その形成された表面軟質層20の厚さを意味する。また、第1部材12における第2部材14との重ね面、又は第2部材14における第1部材12との重ね面の両方に形成される場合は、その両方に形成された各表面軟質層20の合計の厚さを意味する。
また、脱炭処理による方法以外でも、例えば、第1部材12や第2部材14のビッカース硬さよりも低い材料(金属板など)をクラッド(複層圧延)により形成してもよい。
上述の通り、熱影響部(Heat Affected Zone;HAZ)40は、溶接熱により、組織、機械的性質が変化を生じた、溶融していない母材の部分のことであり、溶融凝固部30の周囲に形成される。第1部材12と第2部材14との界面付近の熱影響部40における硬さは、引張せん断試験の変形量に大きく影響する。このため、良好な継手強度を得るためにはこの最大硬さが所定値以下であることが好ましい。具体的には、熱影響部40内における表面軟質層20の最大ビッカース硬さが500Hv以下であり、好ましくは400Hv以下、より好ましくは300Hv以下、更に好ましくは200Hv以下である。
しかし、熱影響部40内における表面軟質層20の最大ビッカース硬さを100Hv未満とすることは鋼板の特性上からして困難であるため、熱影響部40内における表面軟質層20の最大ビッカース硬さの下限を100Hvとする。
また、本実施形態における「熱影響部40内における表面軟質層20の最大ビッカース硬さ」は、熱影響部40内における表面軟質層20に相当する部分を、ビッカース硬度計により、板厚垂直方向に測定して得られる硬さ分布の中で最大の硬度のものとする。なお、硬さの測定方法は上記方法のみに限定されず、ナノインデンターなど、他の測定方法を用いても差し支えない。
溶融凝固部30におけるビッカース硬さは、溶融凝固部30の靱性(スポット溶接の場合、ナゲット靱性)に大きく影響し、破断形態を大きく左右する。このため、良好な継手強度を得る観点からは、具体的には、溶融凝固部30の最軟化部におけるビッカース硬さが600Hv以下であることが好ましく、500Hv以下であることがより好ましく、350Hv以下であることが更に好ましい。しかし、溶融凝固部30の最軟化部におけるビッカース硬さを200Hv未満とすることは鋼板の特性上からして困難であるため、溶融凝固部30の最軟化部におけるビッカース硬さの下限を200Hvとする。
D≧3.5√tmin ・・・(3)
溶融凝固部30の径Dが3.5√tmin未満であると、溶融凝固部30への応力集中が顕著となるため、引張せん断試験時に母材があまり変形しにくく、表面軟質層20(脱炭層)を設けたことによる効果が得られにくい。このため、溶融凝固部30の径Dは、3.5√tmin以上が好ましく、3.7√tmin以上がより好ましく、4.0√tmin以上が更に好ましく、5.0√tmin以上がより更に好ましく、5.5√tmin以上が最も好ましい。
例えば、スポット溶接であれば、印加電流値を二段階に変化させる二段通電条件や、パルス電流を印加するパルス通電条件等を用いて、溶融凝固部30を形成してもよい。その場合、溶融凝固部30に加えるエネルギー量を高精度に設定でき、溶融凝固部30の温度やサイズ等を細かく設定できる。
次に、接合構造体の製造方法について説明する。本発明の一実施形態に係る接合構造体100は、例えば、次の手順で接合される。まず、炭素量が各々0.35質量%以上の第1部材12および第2部材14の少なくとも一方の表面に、脱炭層などの表面軟質層20を形成する。そして、表面軟質層20が第1部材12と第2部材14の間に介在するように、第1部材12と第2部材14を重ね合わせる。第1部材12と第2部材14を重ね合わせた後、一対のスポット溶接電極で第1部材12および第2部材14を挟み込み、溶接電流を印加する。これにより第1部材12と第2部材14とが溶融および凝固して溶融凝固部30(溶融ナゲット)が形成される。
なお、通電パターンは特に限定されず、必要に応じて、電流値を適宜変化させる多段通電を適用してもよい。加圧条件に関しても、必要に応じて、通電中あるいは冷却中に変化させてもよい。電極材質や電極形状についても、表面軟質層20を設けることによる本実施形態の効果を損なわない範囲で、適宜選択すればよい。
脱炭層の厚さ(深さ)は、表1に示すように、鋼種35MnB及び鋼種S45Cにおいて種々のものを準備した。なお、ここでいう「脱炭層の厚さ」は、鋼板の片面に形成された脱炭層の厚さを意味する。
(通電条件)
加圧力:450~500kgf
電流値:5~8kA
通電時間:0.3sec
ホールドタイム:0.16sec
・表面軟質層(脱炭層)
荷重:10~50gf(表面脱炭層における硬さ測定荷重は、脱炭層厚さに応じて適宜調節した。)
測定ピッチ:0.10mm
測定位置:コロナボンドと熱影響部の界面から熱影響部と母材界面まで
※熱影響部は、ピクリン酸腐食することで判別した。(母材よりも白い部分)
実施例2~4では、47μm厚さの脱炭層が形成された鋼種S45C(炭素量:0.43質量%)同士の板組に対して、溶接を実施した。表2に示す通り、実施例2~4においては、溶接時の通電時間が異なることにより、ナゲット径が異なっている。
比較例2~4では、脱炭層を有さない鋼種S45C(炭素量:0.43質量%)同士の板組に対して、溶接を実施した。比較例2~4においても同様、溶接時の通電時間が異なることにより、ナゲット径が異なっている。
また、鋼種S45Cの鋼板を用いた例において、同等の試験条件である実施例2と比較例2を比較した場合、実施例2は比較例2に対し、熱影響部内における脱炭層の最大ビッカース硬さが776Hvから478Hvに低下しており、これに伴って、TSSが10.73kNから11.70kNに向上していることが分かる。
これは、鋼中の炭素量が多い高張力鋼板ほど、脱炭層を設けない場合のTSSの低下割合が高いことから、脱炭層を設けることによるTSS向上の効果が顕著に現れたものと考えられる。
これは上述したように、ナゲット径が小さいほど、ナゲットへの応力集中が顕著となるため、引張せん断試験時に母材があまり変形しにくく、脱炭層を設けたことによる効果が得られにくいためと考えられる。
[1] 高張力鋼からなる第1部材と、
前記第1部材に重ねられ、高張力鋼からなる第2部材と、
前記第1部材における前記第2部材との重ね面、又は前記第2部材における前記第1部材との重ね面の少なくとも一方に形成された表面軟質層と、
前記第1部材と前記第2部材とが溶融および凝固して形成された溶融凝固部と、
前記溶融凝固部の周囲に形成された熱影響部と、
を有し、
前記表面軟質層の合計厚さが5μm以上200μm以下、かつ、前記溶融凝固部の炭素量が0.35質量%以上であるとともに、
前記熱影響部内における前記表面軟質層の最大ビッカース硬さが100Hv以上500Hv以下であることを特徴とする接合構造体。
前記第1部材および前記第2部材の少なくとも一方の表面に形成された前記表面軟質層が前記第1部材と前記第2部材の間に介在するように、前記第1部材と前記第2部材を重ね合わせた後、溶接により前記溶融凝固部を形成することを特徴とする接合構造体の製造方法。
14 第2部材
16 第3部材
20 表面軟質層(脱炭層)
30 溶融凝固部
40 熱影響部
50 コロナボンド
100、200、300 接合構造体
Claims (3)
- 高張力鋼からなる第1部材と、
前記第1部材に重ねられ、高張力鋼からなる第2部材と、
前記第1部材における前記第2部材との重ね面、又は前記第2部材における前記第1部材との重ね面の少なくとも一方に形成された表面軟質層と、
前記第1部材と前記第2部材とが溶融および凝固して形成された溶融凝固部と、
前記溶融凝固部の周囲に形成された熱影響部と、
を有し、
前記表面軟質層の合計厚さが50μm以上120μm以下、かつ、前記溶融凝固部の炭素量が0.35質量%以上であるとともに、
前記熱影響部内における前記表面軟質層の最大ビッカース硬さが100Hv以上500Hv以下であり、
前記溶融凝固部の径Dと、前記第1部材の板厚と前記第2部材の板厚のうち薄い方の板厚t min とが、D≧4.0√t min を満足することを特徴とする接合構造体。 - 前記表面軟質層が脱炭層であることを特徴とする請求項1に記載の接合構造体。
- 請求項1又は2に記載の接合構造体を製造する方法であって、
前記第1部材および前記第2部材の少なくとも一方の表面に形成された前記表面軟質層が前記第1部材と前記第2部材の間に介在するように、前記第1部材と前記第2部材を重ね合わせた後、溶接により前記溶融凝固部を形成することを特徴とする接合構造体の製造方法。
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